estudio de los esquemas de conexiÓn de...
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Resumen: El presente estudio tiene como propósito analizar
alternativas que permitan mejorar los índices de calidad de los
alimentadores primarios de distribución, disminuyendo el
número de aperturas ocasionadas por descargas atmosféricas,
para este análisis se utiliza la aplicación Simulink del Software
Matlab, en la cual se modela el comportamiento de los distintos
elementos que conforman las redes aéreas frente a
sobrevoltajes de tipo atmosférico, esto es: descargador de ZnO,
el transformador monofásico, trifásico, elementos de protección
de sobrecorriente (Fusible), sistema de puestas a tierra, poste y
estructuras de soporte; para validar estos modelos se analizó un
tramo del alimentador Pilishurco de la Empresa Eléctrica
Ambato, el cual presenta el mayor índice de fallas de este tipo
por cuanto está ubicado en la cima del cerro del mismo nombre
el cual tiene un alto nivel ceraúnico. Como resultado del
análisis se obtuvo el mejor esquema de conexión de los
elementos de protección de sobrevoltaje tanto para redes
monofásicas como trifásicas
Palabras Clave— Sobrevoltajes en Redes de Distribución,
Descargador ZnO, Descargas Atmosféricas, Modelamiento en
Simulink.
I. INTRODUCCIÓN
Uno de los problemas más frecuentes que se presentan
en los alimentadores aéreos de distribución son los efectos
ocasionados por descargas atmosféricas, principalmente
los relacionados con los sobrevoltaje directos o inducidos
de tipo atmosférico provocados por las corrientes de rayos,
los cuales al superar el Voltaje de Flameo de Impulso
Crítico (VFIC) de línea ocasionan la falla del aislamiento
provocando un cortocircuito fase-tierra, lo cual
desencadena en la falla definitiva del aislamiento y
problemas de apriete mecánico en puntos de conexión, si
la descarga ocurre en el troncal principal esto ocasiona la
apertura del alimentador desde la cabecera, y al existir una
gran cantidad de aisladores y puntos de empalme hace que
se dificulte la ubicación de la falla y esto sumado al difícil
acceso a estas redes, aumenta el tiempo fuera de servicio
del alimentador empeorando los índices de frecuencia y
tiempo de interrupciones. [1]
Uno de los aspectos más importantes a ser tomados en
cuenta es el rayo, ya que es un fenómeno que sus
características no son determinísticas y obedecen leyes
probabilísticas con lo cual sus efectos son aleatorios, y los
parámetros más importantes que inciden en la severidad de
los efectos del rayo son el pico de corriente y el tiempo del
frente de onda [2], por lo mismo para evitar los efectos
dañinos en la línea es necesario realizar el estudio de los
esquemas de conexión de los descargadores con relación al
rayo ya que mediante el modelamiento de sus elementos
principales como son los descargadores, puestas a tierra,
transformadores, fusibles, aisladores, etcétera, se podrá
elegir el mejor esquema de conexión de los elementos de
sobrevoltaje y también el número y la distancia entre los
descargadores que se deben instalar a lo largo del
alimentador.
Debido a los efectos que producen los sobrevoltajes en
una red eléctrica se han realizado diferentes estudios
alrededor del mundo, mediante el modelamiento de las
redes, como son: el Análisis de disturbios en redes de
distribución utilizando Matlab y ATP este estudio fue
realizado en el 2011[3], con el fin de analizar los
sobrevoltajes en las redes de distribución.
Uno de los estudios importantes realizados en el año
2009 es el estudio de descargadores para la protección de
trasformadores de distribución en la ciudad de Bell, donde
se analiza la distancia entre descargadores de distribución
con las distancias recomendadas por el CIGRE y la IEEE
[4].
Otro de los estudios con respeto a las protecciones
contra sobrevoltaje es el estudio de protección contra
descargas atmosféricas en líneas de distribución realizado
en el 2008, aquí se realiza el modelo de una red de
distribución donde se analiza el efecto de la variación de la
resistencia de puesta a tierra en la red. [5]
En el Modelamiento de voltajes inducidos por rayos en
redes de distribución se analiza la solución de problemas
de calidad de energía y se implementa en un programa de
transitorios (ATP/EMTP), fue realizado en el 2001 [6], en
el año 2006 se realizó un estudio de fallas de
descargadores tipo poste en una estación de servicio de
transformación debido a sobrevoltajes por ferroresonancia,
donde se modela en ATP la estación de transformación
para analizar el efecto del sobrevoltaje por conmutación en
el transformador [7], otro de los estudios realizados por
los miembros de la IEEE es el estudio de los sobrevoltajes
transferidos al secundario de un transformador de
distribución debido a una descarga directa en la línea de
MV, considerando diferentes configuraciones de líneas de
BV fue realizado en el 2009 [8].
El Análisis de transitorios en redes de distribución de
MV de SRI LANKA, es un estudio de los elementos de
protección contra sobrevoltajes debido a fallas de los
descargadores y aisladores al momento del impacto del
rayo este estudio fue realizado en 2009 por la IEEE. [9], en
las Journal of Lightning Resesrch del año 2007 se realizó
un estudio de las descargas directas en una línea de
trasmisión considerando los mecanismos de formación de
sobrevoltajes y su influencia en la línea [10].
En la sección II, se realiza una revisión de la teoría de
sobrevoltajes de origen atmosférico, en la sección III, se
detallan cada uno de los modelos que representan los
elementos eléctricos que conforma de una red de
distribución MV, mientras que en la sección IV, se explica
el caso de estudio y la validación de los modelos en un
alimentador y finalmente en la sección V, se presenta los
resultados obtenidos de la simulación.
ESTUDIO DE LOS ESQUEMAS DE CONEXIÓN DE LOS
DESCARGADORES DE ZnO Redroban Amores Siomara L.
Universidad de las Fuerzas Armadas - ESPE
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II. SOBREVOLTAJE DE ORIGEN ATMOSFÉRICO
A. Descargas Atmosféricas
Este tipo de fenómenos transitorios son producidos por
efectos del rayo que al caer directo o en un punto cercano
de la línea aérea, da lugar a una onda viajera de
sobrevoltaje, los cuales son los más severos ya que
alcanzan valores altos de voltaje, y su magnitud puede
superar al BIL (Nivel Básico de Aislamiento), lo cual es
perjudicial para el aislamiento de los equipos que están
conectados a la red y ocasionan cortes de suministro de
energía por la actuación de las protecciones de
sobrecorriente. [11]
B. Descargas Directas
Este tipo de sobrevoltajes son los menos frecuentes en
las instalaciones, pero son los que pueden causar los daños
más graves, debido a la enorme cantidad de energía, que
trae consigo una descarga atmosférica, ya que el impacto
es directo en la línea aérea. Las corrientes que se presentan
por este tipo de descarga, pueden alcanzar valores hasta de
200 kA instantáneos con frentes de onda muy alto que
introducen enormes esfuerzos dinámicos y térmicos en las
instalaciones, en la Fig. 1a) se puede observar una
descarga directa a la línea de distribución. [12]
C. Descargas Indirectas
Las descargas indirectas son aquellas que no impactan
directamente a la línea, pero que retornan por un canal
ionizado cercano a la línea (dentro de un radio de
aproximadamente 200m) como se observa en Fig. 1b). El
cambio brusco del campo electromagnético producido por
la circulación de la corriente de retorno induce en la línea
una sobretensión de tipo transitorio. Este tipo de voltaje es
el más frecuente y puede ser grave dependiendo de la
intensidad de descarga, ya que de registros de mediciones
realizadas en el campo se sabe que los sobrevoltajes son
del orden de 100 y hasta 200 kV con corrientes de 25 a 100
kA pico.
El voltaje pico inducido está en función de los
siguientes parámetros:
El pico y el tiempo de frente de onda (cresta) de
la corriente de descarga de retorno.
La velocidad de la descarga de retorno.
La altura de la línea.
La distancia de la descarga a la línea
a) b)
Fig. 1 Descarga directa e indirecta de un rayo.
III. MODELOS DEL ALIMENTADOR PRIMARIO
Para el análisis del comportamiento de los sistemas
eléctricos frente a transitorios de sobrevoltaje
tradicionalmente se ha utilizado el programa ATP
(Automatic Transcient Program), el cual dispone en su
librería de los componentes para los sistemas eléctricos de
potencia, pero no dispone de elementos para los sistemas
de distribución. Por ello en el presente estudio se utiliza el
programa Matlab con su aplicación Simulink, en el cual se
puede fácilmente crear cada uno de los componentes de las
redes de distribución y de los esquemas de conexión de la
protección de sobrevoltaje asociada a detalle y poder así
evaluar su comportamiento en diferentes escenarios frente
a transitorios de sobrevoltajes.
A. Modelo del Rayo
Para modelar el rayo es necesario calcular el pico de
sobrevoltaje según la Norma IEEE STD. 1410, mediante la
corriente del rayo, este voltaje puede aparecer por
conducción (Descarga Directa) o de forma radiada
(Inducido) con una descarga a tierra cercana a la línea,
cuyo valor está en función de la distancia más cercana del
punto impacto a la línea, como se presenta en la Ec. 1. [2]
Ec. 1
Donde:
Zo es 1/(4π)
Ω, Impedancia de la línea para
ondas viajera [Ω]
Io Pico de corriente de rayo [kA]
h Altura promedio de la línea de distribución con respecto
al nivel del piso [m]
y Distancia entre la línea y el rayo [m]
v velocidad del rayo [m/s]
vo velocidad de la luz [m/s]
La Ec. 2 que se muestra a continuación es la
simplificación de la Ec. 1, esta ecuación facilita el cálculo
del voltaje provocado por el rayo.
Ec. 2
Donde:
Io: Pico de corriente del rayo [kA]
ha: Altura promedio desde el nivel de tierra hacia la línea
[m]
y: Distancia entre la línea y el rayo [m]
Para el cálculo de la distancia entre la línea y el rayo (y),
es necesario analizar la Ec. 3 mediante las ecuaciones Ec.
4 y Ec. 5, para obtener la distancia de la línea de
distribución respecto a la descarga ya sea directa o
indirecta.
Ec. 3
Ec. 4
Ec. 5
Donde:
rs distancia de la descarga y el conductor [m]
rg distancia de la descarga y la tierra [m]
Io Pico de corriente de la descarga (kA)
El modelo matemático del sobrevoltaje del rayo que en
este caso va a ser un impacto directo, se desarrolla
3
esquemáticamente mediante bloques en la aplicación
Simulink tal como se observa en la Fig. 2, en el cual se
ingresa valores de cada uno de los parámetros de la
ecuación tales como: el voltaje máximo, el signo
(descarga positiva o negativa), la tabla de valores que
representa la forma de la onda en el dominio del tiempo,
voltaje RMS de la red, la frecuencia y el ángulo de desfase
al que inicia el sobrevoltaje.
Fig. 2 Modelo del Rayo en Simulink
B. Modelo de los descargadores de ZnO
Este modelamiento es muy importante por cuanto se
determina el margen de protección efectivo y el
comportamiento de las protecciones de sobrecorriente
asociadas, por lo cual en el presente estudio únicamente se
modela los descargadores de ZnO, debido a que son los
más utilizados en la actualidad y con estos analizar las
protecciones a lo largo de la línea.
El modelo de los descargadores de ZnO, está disponible
en las librerías de Simulink como se muestra en la Fig. 3.
Fig. 3 Modelo de un descargador de SimPowerSystem.
En este bloque se representa únicamente la característica
no lineal V-I del descargador de óxido metálico, la cual se
puede modelar bajo la siguiente ecuación matemática (Ec.
6).
Ec. 6
Donde:
Vref = Voltaje de Referencia [kV]
Iref = Corriente de Referencia [kA]
ki = Factor k para segmento i
αi= Factor α para segmento i
V= Caída de Voltaje en el descargador [kV]
I= Corriente que atraviesa el descargador [kV]
Los parámetros ingresados en el modelo del descargador
de 10 kV de Oxido de Zinc clase distribución tipo Normal
Duty de la marca OHIO/BRASS se obtuvo de los
catálogos. En la Tabla No. 1 se muestra los parámetros
considerados en el modelamiento del descargador. [13]
Tabla No. 1 Parámetros para el modelamiento del
descargador
Iref 0.0042 Segmento I lim [A]
αi k1
Vref 14.285714 Segm 1 0.0004 3.5 3.5
Segm 2 8 51.6 1.3
Segm 3 80000 15.81 0.9
En el modelo del descargador se considera la
capacitancia del aislamiento que lo recubre, así como la
inductancia propia que se presenta durante el recorrido de
la corriente que drena a tierra, tal como se presenta en la
Fig. 4. [6].
Fig. 4 Modelo de un descargador de Oxido Metálico
C. Modelo del Fusible
Para modelar el comportamiento del fusible frente a un
sobrevoltaje atmosférico, se considera como un elemento
de energía constante para su dilatación y apertura [14], ya
que se puede elegir un fusible en función de la energía que
soporte antes de fundirse, por ello se considera una energía
de 20 kJ de un fusible Dual 1.4 que se utiliza para un
transformador de 25 kVA monofásico; estos datos se
ingresan en el modelo que se muestran en la Fig. 5.
Fig. 5 Modelo del Fusible
D. Modelo de la Puesta a Tierra
Para el modelamiento del sistema de puesta a tierra se
considera la inductancia del conductor de la bajante en
serie con la resistencia eléctrica del arreglo los electrodos y
contrapesos insertados en el suelo como se presenta en la
Fig. 6 [6].
Fig. 6 Modelo de puesta a tierra de la fuente
4
AISLADOR PIN E. Modelo de los transformadores de Distribución
El objetivo de modelar los transformadores de
distribución es para considerar el efecto capacitivo por
parte del aislamiento de los bushings de MV e inductivo
por parte de la bobina del transformador frente a un
sobrevoltaje atmosférico, y con ello poder analizar la
incidencia de los esquemas de conexión de los
descargadores en estos equipos así como también el
comportamiento de fusibles asociados.
En simulink existe el modelo matemático simplificado de
un transformador al cual se le agrego el efecto capacitivo
como se representa en la Fig. 7.
Fig. 7 Modelamiento completo de un transformador
monofásico.
F. Modelo de la Línea de Distribución
Para el análisis del comportamiento de las líneas aéreas
de distribución frente a transitorios de alta frecuencia
como son los sobrevoltajes originados por rayos los cuales
poseen una frecuencia que está en el orden de 10 kHz a 3
MHz, se requieren de modelos en los cuales los parámetros
eléctricos de la línea sean dependientes de la frecuencia,
actualmente se disponen varios modelos matemáticos tales
como: J`Martin, Bergeron y Nodales principalmente. [15]
Para este estudio se elige el modelo de parámetros
distribuidos, que se basa en el método de ondas viajeras de
Bergeron disponible en Simulink y ATP, este modelo esta
caracterizado por los valores de la impedancia
característica y la velocidad de la onda, tal como se
muestra en la Fig. 8 a).
a) b)
Fig. 8 a) Modelo de parámetros distribuidos de
Bergeron y b) Bloque en simulink
Este bloque en Simulink se llama "Línea de Parámetros
Distribuidos" como se muestra en la Fig. 8 b), para esto es
necesario ingresar los valores de la frecuencia, resistencia,
inductancia y capacitancia de secuencia positiva y cero de
la línea, y la longitud del vano.
G. Modelo de la Estructura de Soporte
Para el análisis de sobrevoltajes de impulso a las
estructuras de soporte de las líneas aéreas de distribución
se considera en conjunto al poste, cruceta y aisladores de
suspensión y/o soporte "pines", tal como se observa en la
Fig. 9.
Fig. 9 Modelo del Poste, Cruceta y Aisladores
El poste hormigón se considera como un elemento
estático, con una impedancia al impulso eléctrico que se
obtiene de la Ec. 7 [16].
Ec. 7
Donde:
Zt= Impedancia del poste (Ω)
h= Altura del poste (m)
r= Radio del poste (m)
En este estudio se considera postes de hormigón de una
altura de 12m y un radio de 15cm, con lo que se obtiene
una impedancia de 283.72 [Ω].
La resistencia de la cruceta se calcula con la resistividad
del aluminio de 0.028 [Ω.mm2/m], una longitud de 2.4 m y
7*3 mm2
de la sección transversal, dando como resultado
0.0032 [Ω].
Para los aisladores tanto de suspensión como pines se
considera como un capacitor en paralelo con un switch
controlado por voltaje para simular la ruptura del
aislamiento al presentar voltajes superiores al voltaje de
flameo de impulso critico VFIC, que para el presente
estudio se considera un valor de 140 kV para un aislador
Pin ANSI 55-5 tomado de la Norma IEEE 1410 Std.[2].
IV. CASO DE ESTUDIO
Para validar los modelos de los esquemas de conexión de
los descargadores en los alimentadores, se analiza el
tramo de mayor ocurrencia de rayos del Alimentador
Pilishurco de la EEASA, ya que en la ciudad de Ambato
este alimentador presenta el mayor índice de fallas de tipo
atmosférico.
El Alimentador Pilishurco parte de la subestación Atocha,
con un nivel de voltaje de operación de 13800 voltios, con
una construcción aérea trifásica de 25 km de longitud que
permite suministrar el servicio eléctrico a 180 clientes, de
los cuales el 75% son de tipo residencial ubicados en los
sectores de Laquigo, San José, San Francisco y
Constantino Fernández de la Parroquia Agusto N.
Martínez, y el 25% de clientes restantes corresponden a
clientes comerciales correspondientes a antenas de
telecomunicaciones de diferentes medios, ubicados al final
de este alimentador en la cumbre del cerro Pilishurco, este
alimentador consta de aproximadamente 300 poste.
Para el presente estudio se realiza el modelamiento de
los esquemas dividiendo por casos, como se muestra en la
Tabla No. 2, para cada esquema se clasifico según el tipo
de transformador es decir, si es un transformador
5
autoprotegido, un transformador convencional con fusible
en serie con el descargador o con fusible en paralelo con el
descargador, todo esto con respecto al tipo de conexión a
tierra, es decir puede ser con bajante directo a tierra,
bajante de tierra a través del tanque o bajante a tierra
mallado al tanque y al neutro.
Los casos de estudio comprenden 9 esquemas
monofásicos y 2 esquemas trifásicos como se muestra en la
Tabla No. 2 los cuales se modelaron en Simulink, para
analizar el comportamiento de cada uno de ellos frente
sobrevoltajes y determinar así el esquema más apropiado
para mejorar los índices de calidad.
Tabla No. 2: Casos de los esquemas de conexión de los
descargadores. Nº Caso Descripción
1 A1 Transformador Monofásico Autoprotegido con Bajante
directo a tierra
2 A2 Transformador Monofásico Autoprotegido con Bajante de tierra a través del tanque
3 A3 Transformador Monofásico Autoprotegido con Bajante de
tierra mallada al tanque y al neutro
4 B1 Transformador Monofásico Convencional con el fusible al
lado de la fuente con Bajante directo a tierra
5 B2 Transformador Monofásico Convencional con el fusible al
lado de la fuente con Bajante de tierra a través del tanque
6 B3
Transformador Monofásico Convencional con el fusible al
lado de la fuente con Bajante de tierra mallada al tanque y al neutro
7 C1 Transformador Convencional con el fusible en paralelo al
descargador con Bajante directo a tierra
8 C2
Transformador Monofásico Convencional con el fusible en
paralelo al descargador con Bajante de tierra a través del
tanque
9 C3
Transformador Trifásico Convencional con el fusible en
paralelo al descargador con Bajante de tierra mallada al tanque y al neutro
10 D Transformador Trifásico con conexión del fusible al lado
de fuente
11 E Transformador Trifásico con conexión del fusible el
fusible en paralelo al descargador
A modo de ejemplo se observa en la Fig. 10 uno de los
esquemas de conexión presentados en la tabla anterior, en
la cual se puede visualizar un transformador monofásico
convencional con el fusible al lado de la fuente, con
bajante de tierra mallada al tanque y al neutro; estos
detalles permiten evaluar el nivel de protección al
transformador y la operación o no del fusible asociado al
descargador de ZnO.
Fig. 10. Modelo del Esquema de Conexión del Descargador
Para el análisis del modelo completo, se modeló el
tramo con mayor probabilidad de ocurrencia de rayos, con
el propósito de evaluar la dispersión de la onda de
sobrevoltaje a lo largo de este, y determinar cuántos
elementos de sobrecorriente se verían afectados por la
actuación de los descargadores asociados, y así también el
efecto que tiene hacia los aisladores, para ello se realiza un
diagrama esquemático de cada uno de los tramos más
representativos y con los equipos involucrados en el
alimentador Pilishurco.
El esquema que se observa en la Fig. 11 representa el
modelo completo desarrollado en Simulink el cual está
formado por cada uno de los modelos detallados en la
sección III, con sus parámetros respectivos y se evalúa en
diferentes escenarios con el mismo punto de caída del
rayo, es decir con descargadores y sin descargadores.
Fig. 11 Diagrama Esquemático del Tramo más
Representativos del Alimentador Pilishurco.
V. ANALISIS DE RESULTADOS
Es importante indicar los valores calculados de pico de
voltaje que inciden sobre la línea en función de las
características de las corrientes del rayo, las cuales han
sido establecidas en normas y estándares del CIGRE [2].
Es importante señalar las consideraciones que se tomaron
en cuenta en los escenarios de estudio, los cuales son: una
forma de onda 1.2/50 us, sobrevoltaje de un impacto
directo del rayo de 30 kA y resistencia de puesta a tierra
de 25 Ω esto para los 11 casos de esquemas de conexión y
para el caso integral se utiliza el mejor esquema, como se
observa en la Tabla No. 3.
Tabla No. 3. Tabla de Propuesta a Analizar del Tramo
mas significativo del Alimentador Pilishurco con el
Esquemas Elegido
Escenario de Simulación del tramo más significativo del Alimentador Pilishurco con los
esquemas elegidos
Caso Escenario
B3-D_1 Parámetros: • Impacto Directo en la fase B • Impacto en el Vano #5 • Resistencia de puestas a tierra de 25 Ω • Descargadores cada 290m
B3-D_2
B3-D_3
A. Discusión de los Resultados del Modelamiento de los
Esquemas de Conexión de los descargadores en los
transformadores de distribución.
Para el análisis de los resultados de las simulaciones de
los 9 esquemas de conexión de transformadores
monofásicos y los 2 esquemas de transformadores
trifásicos, se comparó los valores de pico de voltaje en el
lado de MV y en el lado de BV, así como también los
6
valores de corriente que atraviesan el descargador, y con
ello la operación o no del fusible. Obteniéndose que el
Caso C3 presenta los valores de pico de voltaje más bajos
tanto en el lado de MV como en el lado de BV con
respecto a los casos A y B, por otro lado la corriente que
drena el descargador es aproximadamente igual en los tres
casos (A3, B3 y C3), lo cual no ocurre con los fusible del
transformador por cuanto en los casos A y C el fusible se
encuentra en paraleo al descargador mientras que en el
caso B y D está en serie lo cual hace que la corriente que
atraviesa el descargador sea la misma que atraviesa el
fusible y dado que esta presenta un alto valor pico y con
ello el I2.t lo cual provoca la apertura del fusible, como se
observa la Tabla No. 4.
Tabla No. 4. Resultados de la simulación de los Casos
Caso Operación de Fusible
Vp.LB [V] Vp. DESC
[kV]
A1 No opera 3281 31.41
A2 No opera 466.8 30.32
A3 No opera 462.3 30.33
B1 Si opera 5841 30.23
B2 Si opera 459.98 30.31
B3 Si opera 457.7 30.31
C1 No opera 5874 30.20
C2 No opera 4568 30.31
C3 No opera 456.6 30.31
D Si opera - 34.25
E No opera - 31.38
En la Fig. 12 se observa la curva del esquema
monofásico elegido (Caso B3) donde se produce la
apertura del fusible al momento del pico del rayo.
Fig. 12 Curva del Rayo en el Esquema del Caso B3
En la Fig. 13 se observa la curva del esquema trifásico
elegido (Caso D3) donde se produce la apertura del fusible
al momento del pico del rayo.
Fig. 13 Curva del Rayo en el Esquema del Caso D
La EEASA como todas las empresas distribuidoras se
rigen a normas y estándares exigidos por su ente regulador
que en este caso es el CONELEC en cuanto a los índices
de calidad del producto técnico, por lo cual el objetivo del
análisis se centra en mejorar los índices de calidad, FMIK
(Frecuencia Media de Interrupción por kVA nominal
instalado) y TTIK (Tiempo Total de Interrupción por kVA
nominal instalado), resultando con este criterio el Caso B3
que tiene el fusible al lado de la fuente y el descargador en
serie montado en el tanque del transformador el que mejor
desempeño presenta para los índices, por cuanto al
momento que opera el descargador el fusible opera, con lo
cual se funde y deja sin servicio solo a la zona que
alimenta el transformador, esto disminuye la cantidad de
kVA`S fuera de servicio y por lo tanto disminuye el FMIK
del Alimentador, con esto se disminuye también el TTIK
ya que al tener una solo zona fuera de servicio es mucho
más rápido la ubicación de la falla y por lo tanto el tiempo
que se demora en corregir la misma. [17]
En comparación de los Caso A3, C3 y E: que al estar el
fusible en paralelo con el descargador no se funde como se
observa en la Tabla No. 4, y si I2.t que drena el
descargador supera su límite máximo, provoca que este se
averíe definitivamente y pierda sus características no
lineales y/o se perfore o explote el aislamiento provocando
así un cortocircuito monofásico a tierra lo cual hace que
las protecciones de sobrecorriente que se encuentra aguas
arriba se accionen.
B. Discusión de los Resultados del Modelamiento del
Alimentador Pilishurco Frente a Sobrevoltajes
En el análisis del caso completo en el que se modeló el
tramo más significativo del alimentador se evidencian
diferencias notables en el comportamiento según el rango
de pico de corriente del rayo, esto es: de 10kA, 20kA y
30kA, evidenciándose aún más con la ubicación de cierto
número de descargadores a lo largo de la línea a
determinadas distancias, es importante mencionar que se
simuló el impacto directo del rayo en la fase B del poste
#4, en todos los escenarios.
La primera simulación consiste en un impacto directo en
la fase B y un pico de corriente de rayo de 10kA en el
poste #4, evidenciándose que el Sobrevoltaje que incide a
la línea no supera CFO (140kV) de la estructura de soporte
(Aislador, cruceta y poste) con lo que no se producen fallas
y por ende no actúan las protecciones, tal como se presenta
en la Tabla No. 5, esto considerando el esquema de
conexión B3. Se concluye que el aislamiento de la línea
está diseñado apropiadamente para soportar descargas de
10 kV no es necesario colocar descargadores a lo largo de
la línea.
Tabla No. 5: Resultados del Modelo Completo para un Pico de
Corriente de Rayo de 10kA
TABLA DE RESULTADOS DEL MODELO COMPLETO
TR
ON
CA
L T
RIF
AS
ICO
Poste Fase
Sin descargadores Con descargadores
CASO B3 - D CASO B3 - D
Vp.LM [kV]
Ip.Des [kA]
Op. fusible
Vp.LM [kV]
Ip.Des [kA]
Op. fusible
1
A 49.69 * * 31.71 1.02 *
B 96.25 * * 39.42 2.22 *
C 33.07 * * 18.01 1.22 *
2
A 49.82 * * 26.91 * *
B 99.85 * * 46.72 * *
C 33.10 * * 21.90 * *
3
A 48.24 * * 26.28 0.259 *
B 93.33 * * 57.50 1.59 *
C 31.40 * * 18.51 0.259 *
4
A 47.03 * * 24.34 * *
B 94.94 * * 65.46 * *
C 30.62 * * 24.42 * *
5
A 40.79 * * 23.88 0.511 *
B 97.01 * * 33.43 36.63 *
C 30.21 * * 19.73 0.511 *
7
6
A 35.20 * * 23.42 * *
B 95.93 * * 67.41 * *
C 30.27 * * 25.74 * *
7
A 40.75 * * 26.25 * *
B 92.99 * * 65.21 * *
C 31.03 * * 25.17 * *
8
A 39.45 * * 26.46 0.229 *
B 91.97 * * 55.32 1.620 *
C 31.14 * * 21.31 0.232 *
9
A 37.62 * * 25.69 * *
B 90.89 * * 53.36 * *
C 31.86 * * 22.11 * *
10
A 38.52 0.649 NO 25.73 0.141 NO
B 91.23 4.346 NO 57.86 1.99 NO
C 39.16 0.026 NO 27.13 0.061 NO
RA
MA
L
#1
MO
NO
FA
SIC
O 1
B
45.86 1.92 NO 37.96 1.16 NO
2 44.90 * * 37.40 * *
3 35.60 * * 32.01 * *
4 38.81 * * 31.70 * *
5 36.80 * * 30.20 * *
6 36.52 0.55 NO 28.68 0.376 NO
*La estructura no posee descargador ni fusible
En el segundo escenario se simula el tramo más
significativo del alimentador Pilishurco Fig. 11, pero con
un impacto directo con un pico de corriente de 20kA,
donde se aplica la misma metodología de la propuesta
anterior, en la que constan los valores de voltaje en el lado
de MV, los valores de corriente y el efecto en los
aisladores con y sin descargadores a lo largo de la línea
como se observa en la Tabla No. 6.
Tabla No. 6: Resultados del Modelo Completo para un Pico de
Corriente de Rayo de 20kA
TABLA DE RESULTADOS DEL MODELO COMPLETO
TR
ON
CA
L T
RIF
AS
ICO
Poste Fases
Sin descargadores Con descargadores
CASO B3 - D CASO B3 - D
Vp.LM [kV]
Ip.Des [kA]
Operación fusible
Vp.LM
[kV] Ip.Des
[kA] Op.
fusible
1
A 59.67 * * 35.72 2.29 *
B 100.34 * * 38.42 4.451 *
C 43.057 * * 21.74 2.509 *
2
A 58.97 * * 31.25 * *
B 95.43 * * 60.43 * *
C 42.26 * * 23.87 * *
3
A 56.66 * * 30.10 0.397 *
B 102.32 * * 69.20 2.505 *
C 44.22 * * 20.98 0.259 *
4
A 55.55 * * 30.70 * *
B 103.10 * * 89.42 * *
C 43.80 * * 31.46 * *
5
A 48.21 * * 25.30 0.511 *
B 140.00 * * 34.62 63.34 *
C 39.031 * * 20.70 0.511 *
6
A 49.12 * * 30.19 * *
B 111.69 * * 89.51 * *
C 51.44 * * 31.04 * *
7
A 46.18 * * 31.79 * *
B 105.62 * * 88.61 * *
C 48.20 * * 31.51 * *
8
A 43.36 * * 27.70 0.203 *
B 102.06 * * 69.75 2.73 *
C 45.24 * * 25.53 0.154 *
9
A 40.57 * * 27.12 * *
B 92.89 * * 63.30 * *
C 37.40 * * 26.75 * *
10
A 45.84 0.772 NO 34.15 0.218 NO
B 94.78 4.25 NO 67.95 2.63 NO
C 47.39 0.046 NO 34.07 0.066. NO
RA
MA
L
#1
MO
NO
FA
SIC
O 1
B
44.89 1.82 NO 47.29 2.06 NO
2 44.13 * * 47.55 * *
3 36.12 * * 37.29 * *
4 36.71 * * 36.95 * *
5 35.19 * * 34.84 * *
6 34.05 0.555 NO 34.20 0.719 NO
*La estructura no posee descargador ni fusible
En el escenario que es sin descargadores a lo largo de la
línea y con un pico de corriente de 20kA, se obtiene como
resultado la falla del aislador más cercano al impacto del
rayo, que se encuentra en el poste #5, el aislador falla
debido a que el voltaje producido en la línea es mayor al
CFO (140kV), y en cuanto a los esquemas de conexión
elegidos la corriente no afecta a los fusibles del tramo
trifásico ni al del tramo monofásico, lo que evita que
existan zonas que se queden sin suministro eléctrico. Por
otra parte en el escenario que comprende la instalación de
descargadores cada 290m esto como resultado de
simulaciones previas en las que se determinó la distancia
optima tomando en cuenta la longitud de los vanos en
estudio y con el mismo pico de corriente, se obtuvo la
protección del aislador más cercano y la disminución los
voltajes residuales que se presentan a lo largo de la línea
trifásica.
En el último escenario en el que se aplica un pico de
corriente de 30kA, sin descargadores, y con descargadores
cada 290m en la línea trifásica se obtiene los resultados de
la Tabla No. 7.
Tabla No. 7: Resultados del Modelo Completo para un Pico de
Corriente de Rayo de 30kA
TABLA DE RESULTADOS DEL MODELO COMPLETOS
TR
ON
CA
L T
RIF
AS
ICO
Poste Fase
Sin descargadores Con descargadores
CASO B3 - D CASO B3 - D
Vp.LM [kV]
Ip.Des [kA]
Op. fusible
Vp.LM [kV]
Ip.Des
[kA] Op.
fusible
1
A 59.13 * * 41.60 3.98 *
B 112.57 * * 39.73 33.69. *
C 42.52 * * 34.00 3.36 *
2
A 61.08 * * 35.66 * *
B 106.32 * * 77.79 * *
C 44.37 * * 40.17 * *
3
A 59.02 * * 33.12 0.597 *
B 108.42 * * 72.97 2.541 *
C 42.18 * * 49.18 0.259 *
4
A 57.73 * * 45.48 * *
B 116.65 * * 106.8
9 * *
C 40.78 * * 46.94 * *
5
A 51.01 * * 26.30 0.80 *
B 140.00 * * 35.21 84.56 *
C 39.03 * * 25.35 0.511 *
6
A 42.76 * * 45.27 * *
B 110.59 * * 107.2
4 * *
C 32.81 * * 45.51 * *
7
A 45.33 * * 45.84 * *
B 108.16 * * 106.5
17 * *
C 34.45 * * 45.85 * *
8
A 43.81 * * 32.41 0.242 *
B 107.16 * * 85.58 3.547 *
C 34.16 * * 39.59 0.275 *
9
A 41.83 * * 43.80 * *
B 106.38 * * 73.73 * *
C 34.89 * * 43.52 * *
10
A 46.00 0.815 NO 66.74 0.293 NO
B 100.69 5.38 SI 79.83 3.376 NO
C 46.30 0.069 NO 64.47 0.416 NO
RA
MA
L
#1
MO
NO
FA
SIC
O
1
B
52.53 2.57 NO 53.95 2.75 SI
2 52.43 * * 53.80 * *
3 41.61 * * 44.26 * *
4 42.54 * * 41.45 * *
5 42.09 * * 41.68 * *
6 42.02 0.822 NO 47.25 0.989 NO
*La estructura no posee descargador ni fusible
Se tiene como resultado los valores de voltaje y
corriente que son mucho más altos, por lo cual se produce
la falla del aislador del poste más cercano al rayo, y la
apertura del fusible de la fase B del transformador trifásico
que se encuentra al final del tramo. El efecto que produce
8
este rayo en el tramo monofásico no es severo ya que no
fallan los aisladores como tampoco produce la apertura del
fusible de los esquemas monofásico. Después de haber
realizado este análisis se colocó los descargadores cada
290m aproximadamente en la red trifásica para así
disminuir este efecto y se logro bajar los valores de voltaje
evitando la falla del aislador continuo al impacto del rayo.
Pero la onda residual que viaja a lo largo de la línea
trifásica, y que llega al tramo monofásico el cual presenta
un cambio de impedancia con lo que la onda de impulso se
refleja e incrementa el valor pico en ese punto y produce
con ello la operación del descargador del transformador
provocando que se funda el fusible del ramal monofásico
más cercano, quedando sin servicio todo el ramal.
VI. CONCLUSIONES
De los resultados de las simulaciones de los 9 esquemas
de conexión de los descargadores para transformadores
monofásicos y 2 para trifásicos respectivamente, se
concluye que los esquema A3, B3, C3 y D que tienen la
bajante de tierra mallado con la cubeta y el neutro son los
que menores voltajes residuales presentan tanto en el
primario como los que se transfieren al lado secundario
del transformador.
Con el análisis del comportamiento de los fusibles
asociados al transformador se concluye que los esquemas
B3 y D que tienen el descargador en serie con el fusible
son los que menos kVA´s fuera de servicio presentan,
por cuanto brindan una adecuada sensitividad y
selectividad durante las operaciones del descargador con
rayos que impactan directamente al transformador y sean
superiores a 20 kA de pico de corriente y frente a averías
internas del descargador, permitiendo fácilmente la
ubicación y reparación de la falla.
Del análisis del modelamiento completo del tramo de
mayor incidencia de rayos del alimentador Pilishurco,
que constituye el modelo de la línea, estructura de
soporte, puesta a tierra y los esquemas de
transformadores B3 y D; se concluye que para
sobrevoltajes de rayos que impactan directamente sobre
la línea de corrientes pico menores a 10 kA, el
aislamiento de la línea soporta adecuadamente por
cuanto no superan el CFO (Critical Flash Overvoltage)
de los aisladores.
Los rayos que impacten la línea y que estén entre 10 y 30
kA originan la falla del aislador de la estructura contigua
al impacto, por lo cual se concluye la necesidad de
instalar descargadores a una distancia de 290 m
aproximadamente a lo largo de la línea según los vanos,
con un valor de resistencia de puesta a tierra inferior a
25Ω, así como también el uso de descargadores oxido
Metálico, tipo Heavy Dutty que soportan
adecuadamente la energía asociada a la descarga.
VII. REFERENCIAS
[1] D. G. Montaluisa Montaluisa, Analisis de
Coordinación de Aislamiento para Primarios de
Distribución, 2010`.
[2] IEEE STD. 1410, «IEEE Guide For Improving The
Lightning Performance of Electric Power Overhead
Distribution,» 2004.
[3] S. Boutora, H. Bentarzi y A. Ouadi, «Analysis Of The
Disturbances in Distribution Networs Using Matlab
And Atp,» Issue, 2011.
[4] L. Soibelzon, «Lighting Arresters for Protection of
Distribution Transformersin City Bell,» Curutiba,
2009.
[5] A. Piantini, «Lighting Protection of Overhead Power
Distribution Line,» San Paulo, 2008.
[6] M. Paolone, «Modeling of Lightning-Induce Voltages
On Distribution Network for the Solution of Power
quality Problems, And Relevan Implementation In A
Transient Program,» Universidad Of Bolonga,
Bolonga, 2001.
[7] K. Pattanapakdee y C. Banmongkol, «Failure of Rise
Pole Arrester Due to Station Service Transformer
Ferroresonance,» IEEE, Bangkok, 2006.
[8] P. Obase, F. Romero, J. Janiszewski, A. Piantini, A.
Neto, T. Carvalho y A. Araújo, «Lightning Surges
Transferred to the Secondary of Distribution
Transformers Due to Direct Strickes on MV Lines,
Considering Diferently Line Configurations,» IEEE,
Curitiba, 2009.
[9] V. Weerawardena y M. Wijekoon, «Analysis of
Transient Overvoltage in MV Distribution Network of
Ceylon Electricity Board, Sri Lanka,» Uva, 2009.
[10] S. Visacro, «Direct Strokes to Trasmission Lines
Consideration on The Mechanisms of Overvoltage
Formation And Their Influence on The Lighting
Performance of Line,» Jolr, Brazil, 2007.
[11] M. Morales, «Analisis de Fallas Desconocidas en el
Alimentador Pilishurco 2011-2012 DOM EEASA,»
Ambato, 2012.
[12] Cooper Power System, Electrical Distribution System
Protection (Manual), United States, 1990.
[13] Ohio Brass, «Dynavar Distribution Class (PDV) and
Pise Pole (PVR) Surge Arresters,» USA, 1996.
[14] Cooper Power Systems, «Protection Equipment
Update,» Wisconsin, 1992.
[15] S. Meyer y T.-H. Liu, Electromagnetic Transient
Program, Oregon, 1995.
[16] P. A. G. Mendoza, «Tesis Estudio de Coordinación de
Aislamiento para la Línea Aérea en 34,5 Kv Planta
Estación Principal Morichal-Subestación Nº 3
Morichal,» Venezuela-Caracas, 2010.
VIII. BIOGRAFÍA
Siomara Redrobán Nació el 07 julio de 1989 en la ciudad
de Ambato, Ecuador, realizó sus estudios de bachillerato
en el Colegio Juan León Mera ¨La Salle¨, sus estudios
superiores los realizó en la carrera de Ingeniería
Electromecánica de la Universidad de las Fuerzas Armadas
ESPE extensión Latacunga, y obtuvo el título de Ingeniera
Electromecánica en el 2014.